礦山采空區(qū)地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理模式創(chuàng)新研究

石增紅，郝曉宇

（1.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陜西總隊，陜西 西安 710003；2.西安地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院有限公司，陜西 西安 710100）

我國礦產(chǎn)資源開發(fā)為工業(yè)發(fā)展和城市建設(shè)提供了有力保障，對經(jīng)濟發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。但是在帶來經(jīng)濟效益的同時，也引發(fā)了礦山和周邊地區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題。礦山勘探和開采中破壞了原生地形地貌，隨著開采程度和開發(fā)深度的不斷增加，在礦山地表下面形成采空區(qū)，采空區(qū)不僅會導(dǎo)致地面塌陷影響礦山安全生產(chǎn)，還會破壞地下水資源平衡和土壤植被環(huán)境，對礦山和周邊地區(qū)人民財產(chǎn)安全和生活質(zhì)量造成損害，因此需要對采空區(qū)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行恢復(fù)治理，在追求資源經(jīng)濟效益的同時，必須注重地質(zhì)環(huán)境的保護(hù)與治理，追求礦產(chǎn)開發(fā)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展[1]。基于此本文對礦山采空區(qū)地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理進(jìn)行研究，提出創(chuàng)新恢復(fù)治理模式，還原礦山采空區(qū)原有生態(tài)功能，為礦產(chǎn)資源開發(fā)活動的可持續(xù)發(fā)展提供理論指導(dǎo)，促進(jìn)綠色礦山行業(yè)發(fā)展。

1 礦山采空區(qū)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀

1.1 誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害

因礦山采空區(qū)地質(zhì)環(huán)境被破壞而導(dǎo)致的首要問題就是誘發(fā)不穩(wěn)定邊坡、崩塌和地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害問題。大部分采空區(qū)頂板都沒有支撐和防護(hù)措施，頂板與底板的間距很大，空區(qū)內(nèi)基本沒有填充物，因此很容易出現(xiàn)礦區(qū)地面塌陷的問題，采空區(qū)塌陷見圖1，容易造成礦山工作人員被困和傷亡情況。

不穩(wěn)定邊坡是在修建礦山道路過程中，挖開的巖體沿坡堆放形成的滑動面，由碎石和基巖接觸形成坡體，因此較為不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)滑塌，發(fā)生安全事故；崩塌主要是由于人工開采形成的大量垂直邊坡，坡面整體表現(xiàn)為上緩下陡，常發(fā)育有節(jié)理，節(jié)理與巖層相交形成危巖，垂直于裂隙的部位容易造成崩塌隱患，整體穩(wěn)定性很差，崩塌巖風(fēng)化后形成大小不一的石塊，浮石墜落會產(chǎn)生安全風(fēng)險。

圖1 采空區(qū)塌陷

1.2 破壞礦山地下水環(huán)境

礦山采空區(qū)直接影響地下水環(huán)境，打破水循環(huán)的自然平衡，導(dǎo)致水量下降和水質(zhì)惡化。礦山地區(qū)由于地層覆蓋厚度較小，基巖發(fā)育裂隙構(gòu)造較多，因此是大氣降雨的地下水補給區(qū)。首先造成水資源量的損失，由于采空區(qū)的開采沉陷導(dǎo)致地面變形和疏水排水工作打亂了地表和地下水循環(huán)平衡，引起大面積的干涸或泄漏，影響礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。其次是對水質(zhì)造成污染，礦產(chǎn)采空區(qū)開采出的固體和液體廢棄物會對污染水質(zhì)，同時還影響土壤的凈化能力，由于地表植被被破壞進(jìn)一步加劇了水分蒸發(fā)[2]。采空區(qū)附近的水文環(huán)境遭到破壞后，隨著水循環(huán)的流動作用，污染物隨著地下水流動擴散到更大的范圍，進(jìn)而對當(dāng)?shù)厮Y源造成一定程度的負(fù)面影響。

1.3 破壞土地資源與生態(tài)平衡

礦山開采形成采空區(qū)，挖掘出的固體廢棄物，主要是廢棄礦渣和巖體隨意堆積在礦區(qū)內(nèi)，以及采礦工作的各種設(shè)施設(shè)備占用了大量的土地，造成礦區(qū)大量土地植被和森林耕地被破壞。采空區(qū)對土地資源的破壞主要表現(xiàn)為物理和化學(xué)損害兩方面，物理損害是地下采礦引起的地面開裂、塌陷和大范圍沉降等問題，化學(xué)損害是礦產(chǎn)開發(fā)產(chǎn)生的有害物質(zhì)對土地的污染，導(dǎo)致礦區(qū)附近土地肥力下降。采空區(qū)巖體裸露和崩塌使自然景觀遭到嚴(yán)重破壞，尤其是地面塌陷對生態(tài)平衡的影響更加不容忽視。因此必須采取相應(yīng)措施，治理采空區(qū)沉陷造成的水土流失和荒漠化等生態(tài)環(huán)境破壞問題。

2 地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理創(chuàng)新模式

為了改善礦山采空區(qū)地質(zhì)環(huán)境，需要進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)治理工作。采空區(qū)恢復(fù)治理的首要目標(biāo)是消除災(zāi)害隱患，保證治理區(qū)安全；其次是防止生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化，改善周邊環(huán)境；最后是保護(hù)土地資源，確保礦山后續(xù)開發(fā)工作正常進(jìn)行。因此為恢復(fù)治理礦山采空區(qū)地質(zhì)環(huán)境，本文提出以下創(chuàng)新治理模式。

2.1 設(shè)計采空區(qū)底部圍巖保護(hù)層

采空區(qū)由于長時間反復(fù)受到爆破震動的影響，在未經(jīng)處理的情況下抽取礦柱，會進(jìn)一步增大暴露面積，經(jīng)過長時間地壓活動，會造成安全事故，因此設(shè)計采空區(qū)底部圍巖保護(hù)層。采空區(qū)底部保護(hù)層主要是利用爆破崩落周圍圍巖和礦柱，對采空區(qū)底部進(jìn)行填充，形成緩沖保護(hù)，防止地壓活動造成的巖體突然掉落和氣浪傷害。使用圍巖爆破填充的恢復(fù)治理方式成本較低，操作方法相對簡單，可以有效消除采空區(qū)安全隱患；對于大量礦柱支撐的采空區(qū)，可以有效回收礦柱，節(jié)約了回收成本。

2.2 實施采空區(qū)內(nèi)部物料填充

礦山采空區(qū)內(nèi)巖體破壞嚴(yán)重，形成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，會形成透水和地壓性質(zhì)的災(zāi)害隱患，可以采用礦石開采后的尾砂和廢石等廢棄物流進(jìn)行填充，減少礦區(qū)災(zāi)害。在內(nèi)部物料回填的過程中，首先將大塊石料放置于底部，按土質(zhì)含量高低依次向上進(jìn)行填充。通過尾砂和廢石對采空區(qū)進(jìn)行回填，可以減少圍巖的移動，防止巖體大面積脫落，減少地表的沉陷[3]。在回填過程中，采用混凝土構(gòu)建底部層，尾砂廢石結(jié)合水泥砂漿一同進(jìn)行填充，有利于礦區(qū)的穩(wěn)定和安全。使用這種治理方式不但提升了采空區(qū)的穩(wěn)定性，還對礦山固體廢棄物進(jìn)行回收，減少了施工成本。經(jīng)過物料回填的采空區(qū)圍巖應(yīng)力變化不大，并且無明顯的地壓活動，有利于礦山環(huán)境的穩(wěn)定。

2.3 留設(shè)礦柱支撐采空區(qū)

如果礦山采空區(qū)地表上部存在后續(xù)工程設(shè)備或其他建筑物，采空區(qū)內(nèi)圍巖較為穩(wěn)固、采礦規(guī)模不大的情況下，則可留設(shè)合適尺寸礦柱或人工假柱用于支撐采空區(qū)，維持采空區(qū)域整體穩(wěn)定。這種恢復(fù)治理方式還使用于礦石回采，可以保證殘礦回采安全。為了永久消除采空區(qū)安全隱患，則可采用水泥砂漿人工堆砌石垛，結(jié)合錨桿聯(lián)合支撐采空區(qū)，可以達(dá)到良好的恢復(fù)治理效果。

2.4 隔離并封閉采空區(qū)

隨著采礦工程的逐年進(jìn)行，采空區(qū)體積不斷增大，周圍礦巖的塑形變形越來越強烈，如果已經(jīng)引起地面下陷、開裂和位移的情況，為防止誘發(fā)大范圍的采空區(qū)坍塌對周圍地區(qū)環(huán)境和人身安全造成危害，需要對采空區(qū)采取隔離和封閉措施。主要是對采空區(qū)和井下巷道、采場之間的通道進(jìn)行封閉，避免采空區(qū)塌陷產(chǎn)生巖體下落和沖擊氣浪對礦山井下工作人員造成傷害和機械設(shè)備造成損毀。首先需要在地表圈定可能出現(xiàn)大規(guī)模陷落的區(qū)域范圍，增加防護(hù)圍欄和警示牌，起到預(yù)警作用；對正在進(jìn)行采礦工程的采空區(qū)，在頂板暴露面積大的危險區(qū)域，安裝人工礦柱和支架；對于不再使用的采空區(qū)，需要進(jìn)行永久的封閉，留設(shè)一定厚度的隔離層，構(gòu)造混凝土墻隔絕主要相連通道，利用廢石封閉采空區(qū)出口，間斷與采礦工作區(qū)域的聯(lián)系，保證開采施工正常進(jìn)行。

2.5 生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理

針對礦山采空區(qū)水資源污染的問題，可采用物理法、化學(xué)法和生物方法等改善水質(zhì)。物理方法主要為利用金屬吸附和還原能力去除廢水中的污染化合物，減少重金屬在水中遷移，避免在生物體內(nèi)富集；化學(xué)方法主要是利用化學(xué)物質(zhì)對廢水中的有害離子進(jìn)行沉淀和點解；生物方法是利用動植物和微生物的代謝作用來改善水質(zhì)，其中微生物吸附和絮凝被廣泛使用，操作方便簡潔，不會產(chǎn)生二次污染，適合工業(yè)化生產(chǎn)使用。除此之外，還可以使用集成技術(shù)，回收水中有用的重金屬，提升資源的利用價值。對于礦山采空區(qū)出現(xiàn)的土地資源污染問題，根據(jù)污染的嚴(yán)重程度，分別進(jìn)行恢復(fù)治理。污染較輕的土壤采用深耕翻土的方式，依靠土壤自行修復(fù)能力完成土質(zhì)恢復(fù)；污染較為嚴(yán)重的土壤則可采用化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)實現(xiàn)土質(zhì)的恢復(fù)。其中化學(xué)修復(fù)方式是添加土壤改良劑，提高生物有效性；生物方法是利用植物和微生物的作用，來改善土壤現(xiàn)狀。種植植被還可以預(yù)防水土流失，對恢復(fù)礦山采空區(qū)生態(tài)系統(tǒng)具有促進(jìn)作用，因此可被廣泛使用與生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)治理中。

由于礦山開采情況不同，因而采空區(qū)規(guī)模也有所差別。在實際對地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行恢復(fù)治理時，需要因地制宜，考慮具體環(huán)境特征和地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)，綜合利用各種恢復(fù)治理手段，從而取得更好的恢復(fù)治理效果。

3 結(jié)語

本文通過對礦山采空區(qū)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出恢復(fù)治理的創(chuàng)新模式，以促進(jìn)礦產(chǎn)資源開發(fā)活動的可持續(xù)發(fā)展。本文雖然提出了治理模式，但研究和分析的內(nèi)容并不全面，還存在很多不足的地方。礦山采空區(qū)地質(zhì)環(huán)境的恢復(fù)治理具有社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益三方面的內(nèi)涵，因此在未來研究中，可從社會、經(jīng)濟和環(huán)境三方面對恢復(fù)治理模式進(jìn)行創(chuàng)新，以提高環(huán)境恢復(fù)治理的可靠性和可行性，促進(jìn)礦山地區(qū)的經(jīng)濟和環(huán)境共同發(fā)展。